BMS子系統和拓撲

電池的終物理結構決定實現電池管理系統的架構選擇，每一層將在BMS的功能中形成一個子集：

在低層是電芯采集單元（CMU），每個CMU連接到一個單獨的電芯，或多個并聯連接的電芯，并測量電芯電壓和溫度，并提供均衡功能。

中間層是模組管理單元（MMU），分組為多個CMUs，并為高層提供比CMU更上等別的功能。

高層是電池包管理（PMU），功能為監(jiān)控電池包并與應用之間進行通信，通常通過CAN總線通信。

這種分類可以分為三種架構拓撲：

①集中式：在集中式BMS中，所有三層都組合在一個實體中，BMS直接連接到所有的電芯。由于需要大量的連接，集中式BMS的可拓展性不是很好。此外由于電池包的總電壓存在于輸入端，這種情況下很難滿足隔離要求。

②模塊化：在模塊化的BMS中，多個MMUs（具有自己的CMUs）與單個PMU通信。MMUs靠近電芯，降低了布線的復雜性。MMU通過一個隔離的接口與中央PMU通信，避免了集中式BMS的隔離問題。一種常見的變體是MMU/CMUs被縮減到小的度量和均衡單元（從板），并與中心PMU（主板）通信。

③分布式：在完全分布式的體系結構中，多個PMU控制它們自己的電芯，它們可以相互通信，但彼此獨立運行。在*極端的情況下，每個電芯都配備了一個微控制器來跟蹤SOC，決定均衡、旁路電芯等動作，這種拓撲結構提供了*高的靈活性和可伸縮性，但具有很高的復雜性和成本。

大多數商業(yè)BMS采用模塊化拓撲結構，因為它們在復雜性、成本和靈活性之間提供了折衷。

高壓電池包組成

除了BMS的功能外，對BMS的比較和分析還需要對高壓（HV）電池組的結構有基本的了解。因此，在本節(jié)中，簡要介紹了電池組的典型部件，并對它們之間的關系進行了圖示。

純電動汽車（BEV）的電池包由電池模塊、一個BMS、一個冷卻系統、一個電池斷開單元（BDU）、外殼以及用于高壓和數據連接的接口組成。這些組件的示意圖如圖3所示，其中BDU稱為“開關盒”（有時BDU或開關盒也稱為“電池接線盒”）。

在圖3中，每個電池模塊上都有一個BMS從屬模塊，它執(zhí)行直接的電池監(jiān)視并連接到BMS主模塊。除了將電池組電壓切換到外部的高壓接觸器外，BDU還包括一個保險絲、一個總電壓和總電流傳感器、一個預充電電阻和一個等壓表。預充電電阻限制涌進電流，等壓表檢查殼體或車身是否與高壓部件充分隔離。BMS還可以通過控制加熱器保持其低工作溫度，或控制風扇或液體冷卻系統使其低于高工作溫度，從而主動管理電池組的溫度。

BMS集成電路

BMS使用集成電路（ICs，也稱為微芯片）來實現其功能。用于BMS的ICs可分為提供測量電芯的電壓和溫度電池傳感器ICs，和使用傳感器的值以確定電池組的狀態(tài)和保護電芯免受**操作區(qū)域之外操作單片機ICs。

有幾種集成電路用于測量電池參數（電壓、溫度和電流），它們在測量精度、功耗、占用空間和成本方面有所不同。

電池管理應用的電芯監(jiān)測集成電路的常見制造商包括：

Linear Technology：線性技術的LTC6802、LTC6803和LTC6804產品線，可以處理多個電芯的化學反應，并測量多達12個電芯的0 - 5V電壓。它是專為混合動力汽車牽引包設計的。

Intersil: Intersil的ISL78610和ISL78600產品線是專門為汽車應用程序設計的，可以監(jiān)控多達12個鋰離子電池。

Maxim：Maximd的MAX14920、MAX14921系列可處理3-16個鋰離子電池。

德州儀器：德州儀器是小型鋰離子電池集成電路的實際***，如手機和筆記本電腦。

Analog Devices：AnalogDevices的AD7280鋰離子監(jiān)測IC類似于Linear Technology的芯片。

電池傳感器集成電路通常采用所謂的多路復用結構，將每個電池（輸入對導線）的電壓依次轉換成單個模擬或數字輸出線路，而不是并行地監(jiān)視所有的連接單元。這種方法降低了成本，但它的缺點是一次只能監(jiān)視一個電芯電壓，可能會由于采樣而丟失重要信息。然后需要一種高速開關機構將輸出線切換到每個電芯，以便能夠以足夠的頻率連續(xù)監(jiān)視所有電芯。

電池主控制器集成電路

電池管理系統中微控制器常用的芯片架構包括:

ARM Cortex：Cortex M0、Cortex M1和Cortex M4是一組用于嵌入式微控制器的處理器核心。Cortex-M4核心可選地包括浮點單元。制造商包括Atmel、Microchip、STMMicroelectronics、NXP、Texas Instruments和英飛凌。

MIPS 4K：MIPS是嵌入式系統的模塊化微控制器體系結構，支持可選的協處理器和浮點單元。為MIPS提供了廣泛的嵌入式開發(fā)工具。例如pic32處理器系列的微芯片。

TriCore：TriCore是英飛凌的雙核32位微控制器架構，它是專門設計用于汽車和**關鍵應用。

68000：68000是一個32位微處理器架構，由摩托羅拉開發(fā)，制造商包括德州儀器、西門子和NXP。

BMS計算和軟件架構

與其他嵌入式控制系統類似，BMS實現通常遵循多層體系結構。這意味著BMS軟件功能可以分為不同的層：

底層用于設備驅動程序和硬件接口例程。

中間層提供通信協議的實現和物理測量的解釋。

上層用于上等電池計算，如充電狀態(tài)和功率限制計算。

頂層應用程序層負責根據較低層提供的信息進行決策。

這種多層方法及其抽象層的嚴格使用極大地提高了BMS軟件代碼的可重用性和可維護性。例如，根據SOC決定連接或斷開電池的應用程序不需要有關SOC如何計算的信息，實際上，在不同的應用程序中使用不同的SOC方法可能是有利的。因此，SOC計算算法不需要了解如何處理其輸入（溫度、電壓、電流）的細節(jié)。更一般地說，如果維護分層體系結構，則可以修改任何層，從而限制相鄰層的結果。

大多數BMS軟件架構為BMS的不同功能實現了一個多任務環(huán)境。這種環(huán)境可以是簡單的循環(huán)任務調度程序，也可以是更復雜的、完全搶占式的多任務操作系統。BMS是**性優(yōu)先的系統，以確保任務負責的**功能，如電壓測量和相關的過度充電和過放電保護、溫度和電流測量和接觸器驅動——及時執(zhí)行。在一個搶占式的多任務環(huán)境中，任務可能被暫時中斷，以執(zhí)行其他任務，然后在稍后恢復，因此至關重要的是，對**至關重要的BMS任務不會顯著延遲。為了確保實時功能，幾個BMS實現建立在像FreeRTOS或μC / OS-II實時操作系統（RTOS），切換任務基于優(yōu)先級，并且可以提供接受并完成特定任務的時間擔保。

1.2可用BMS的概述及其分析

本節(jié)旨在概述目前市場上可用的電池管理系統，重點介紹電動汽車（EV）的應用。然后根據上一節(jié)定義的關鍵參數和拓撲變體對這些電池管理系統進行分類和分析。

應該指出的是，很難對目前用于商業(yè)或學術目的的各種BMS進行概述，原因如下：首先BMS有不同的應用場景，因此市場上可用的BMS通常應用場景是高度適配的。**很少有信息是公開的，特別是對于大型OEM廠商和供應商用于BEV和HEV的BMS，如大眾、豐田、雷諾-日產和特斯拉，雖然它們的車型已達到大規(guī)模生產水平，但是涉及到拓撲、關鍵規(guī)格、軟件架構等等重要技術信息仍然保留在這些廠商手里。本研究的目的是盡可能收集至少關于歐洲目前市場份額大的電動汽車的BMS信息，然而對于許多受歡迎的EV車型，包括大眾e-Golf、奔馳電動B級轎車、雷諾Zoe、雪佛蘭Bolt、現代Ioniq、歐寶、比亞迪、大陸集團、Epower電子、本田、現代Kefico，由于不可能收集足夠詳細的技術信息，因此對比仍然是不完整的。

相比之下，專注于BMS原型小型制造商和工程公司，小批量和試點系列產品，往往提供足夠詳細的有關他們的BMS技術規(guī)格和結構的信息，因此本報告的分析主要集中在這個商業(yè)領域。此外，還有一些BMS平臺——包括來自Altera、Fraunhofer和LION Smart的電池管理系統（使用開源開發(fā)策略，主要專注于研究和早期原型設計）。

可分析BMS列表

根據對BMS市場現況的研究，現按英文字母順序整理出以下32種BMS：

#1. Ashwoods Energy’s BMS (Vayon)

#2. AVL’s BMS

#3. Calsonic Kansei’s Nissan Leaf-BMS

#4. Delphi Automotive PLC BatteryManagement Controller

#5. DENSO’s Toyota Prius PlugIn-BMS

#6. Elite Power Solutions’ EnergyManagement System

#7. Elithion’s Lithiumate Pro

#8. Electric Vehicle Power SystemTechnology Co., Ltd’s (EVPST) BMS-1

#9. Ford Fusion Hybrid’s BMS

#10. Hitachi’s Chevrolet Malibu Eco-BMS

#11. I + ME ACTIA’s BMS

#12. JTT Electronics LTD’s S-line

#13. JTT Electronics LTD’s X-line

#14. LG Chem’s Chevrolet Volt-BMS

#15. Lian Innovative’s BMS

#16. Lithium Balance’s S-BMS

#17. Lithium Balance’s S-BMS 9-16

#18. Manzanita Micro’s Mk3x-line

#19. Mitsubishi iMiEV’s BMS

#20. Navitas Solutions’ Wireless BMS(WiBMS)

#21. Orion BMS - Extended Size

#22. Orion BMS - Junior

#23. Preh GmbH’s BMW i3-BMS

#24. REAPsystems’ BMS

#25. Sensor Technik Wiedemann’s (STW) mBMS

#26. Tesla Motors’ Model S-BMS

#27. Tritium’s IQ BMS

#28. Valence U-BMS

#29. Ventec SAS iBMS 8-18S

開放研究和原型平臺

#30. Altera’s BMS

#31. Fraunhofer’s foxBMS

#32. LION Smart’s Li-BMS V4